Akkujen varaaminen

Artikkelin kirjoittaja Christer Svensson on valmistunut teknisen kemian diplomi-insinööriksi Chalmersin Teknillisestä korkeakoulusta Göteborgissa. Hän on myös työskennellyt ja opettanut samassa laitoksessa.

Christer Svensson on toiminut akkualalla lähes 30 vuotta ja on vastannut erilaisista tehtävistä akkujen tuotannossa ja tuotekehityksessä. Tähän sisältyvät henkilö- ja kuorma-autojen akut, meri- ja vapaa-ajan akut sekä MP-akut. Lisäksi Svensson on ollut mukana tuotekehitystoiminnassa erilaisten teollisuusakkujen parissa.

Akkujen varaaminen – tiedettä sinällään

Edellytyksenä akkujen pitkäaikaiselle, tehokkaalle ja luotettavalle toiminnalle on toisaalta se, että akkutyyppi on valittu oikein käyttötarkoitusta varten, ja toisaalta se, että akkuja hoidetaan oikealla tavalla. Mitä hoitamiseen tulee, akun varaamisen merkitystä tuskin voi liioitella, ja ratkaiseva tekijä on akkuun soveltuvan varaajan valinta.

Kun akku on asennettuna sähköjärjestelmään, esimerkiksi autoon, sähköjärjestelmän generaattori hoitaa varaamisen automaattisesti, eikä käyttäjän tarvitse normaalisti huolehtia akun varaustilasta. Mutta kaikissa niissä tapauksissa, joissa akkua ei ole liitetty järjestelmään integroituun generaattoriin, se on varattava erillisellä varaajalla.

Varaaja voidaan rakentaa yksinkertaisesti tasasuuntaajan ja muuntajan avulla, ja aiemmin käytetyt perinteiset varaajat myös rakennettiin tämän periaatteen mukaan. Yksinkertaisimmillaan niissä oli vain vastus kytkettynä sarjaan akun kanssa. Vastuksen avulla voitiin ohjata akun jännitettä ja virtaa.

Nämä varaajat olivat suuria, raskaita, kuumenevia ja toiminnaltaan epäluotettavia laitteita, koska noin järjestetty ulostulojännite, siis varausjännite, on riippuvainen verkon jännitteestä. Toisin sanoen akkuun kohdistuva jännite saattoi olla joko liian korkea tai liian matala. Seurauksena voi siis olla joko ali- tai ylivaraus. Molemmat ovat vahingollisia akuille ja johtavat niiden ennenaikaiseen vioittumiseen.

Suuri askel eteenpäin otettiin, kun varaajat alettiin varustaa säädöllä. Näissä niin sanotuissa säädettävissä muuntovaraajissa säätö hoidetaan tyristorien tai transistorien avulla, ja näin voidaan estää jännitteenvaihteluiden vaikutus varaajaan aivan toisella tavalla kuin aiemmin. Käytännössä varaaja ohjataan oikeaan varauskäyrään korvaamalla tasasuuntaussillan diodit tyristoreilla tai transistoreilla ja ohjamaamalla näitä säätöpiirillä, jossa mitataan takaisinkytkennän avulla varaajasta ulos tuleva virta ja jännite, ja antamalla näiden mittausarvojen määrätä, miten suuri osa sisään tulevasta verkkovirrasta päästetään läpi ja otetaan ulos varaajasta.

Nykyaikaiset varaajat

Nykyaikaisissa varaajissa käytetään erityistä switch- eli kytkentätekniikkaa, jolla vaihtovirta muunnetaan jännitteeltään oikeaksi tasavirraksi. Näitä varaajia kutsutaan primäärihakkureiksi, ja niissä perinteinen, suurella rautasydämellä varustettu varaaja on korvattu tasasuuntaajalla ja elektronisella katkaisimella. Rakennetta voi yksinkertaistaen kuvata näin: sisään tuleva jännite tasasuunnataan diodisillalla ja sen jälkeen ”hakataan” korkeataajuisella kytkimellä (50-200 kHz) vaihtojännitteeksi, joka puolestaan muunnetaan matalaksi jännitteeksi pienimassaisella muuntajalla, tasasuunnataan ja suodatetaan vaihtovirtaelementeistä kondensaattoreiden ja induktanssien avulla ennen kuin se syötetään akkuun.

Tekniikka on ollut käytettävissä 90-luvun puolivälistä, ja se tarjoaa monia etuja perinteisiin varaajiin verrattuna.

* Primäärihakkurivaraajia säädetään edistyksellisellä elektroniikalla, joka tekee ne yhä riippumattomammiksi syöttöjännitteestä – mikä siis tarkoittaa yhä tarkempaa varausjännitettä.

* Niillä on laajempi toiminta-alue, nopeampi säätö, pienempi lämmöntuotto ja merkityksetön aaltoisuus, siis vaihtovirran ominaisuus, joka ollessaan suuri johtaa lämmöntuottoon, jolloin akut lämpenevät ja levyt tulevat uurteisiksi.

* Sen lisäksi korkeataajuustekniikkaa käyttämällä varaajat voidaan tehdä merkittävästi pienemmiksi ja kevyemmiksi. Nykyaikainen kuluttajalle myytävä varaaja normaaleille 12 V akuille ei ole suurempi kuin voipaketti ja painaa noin puoli kiloa.

Kun laitteiden tekninen kehitys on johtanut siihen, että varaajista tulevaa jännitettä ja virtaa voidaan ohjata tarkasti, jää jäljelle varauksen ohjelmointi varaajan mikrotietokoneeseen niin, että akut saavat tehokkaasti oikean varaustehon. Koska varaajien on toimittava hyvin vaihtelevissa olosuhteissa kuten erikokoisten akkujen, eri akkuteknologioiden ja lämpötilojen yhteydessä, tehokkaan varauksen saavuttamiseen tarvitaan joukko kriteereitä.

Kolme faasia eli vaihetta

Purkautuneen akun varaus tapahtuu periaatteessa kolmessa eri vaiheessa.

Ensimmäisessä vaiheessa, jolloin pääosa kapasiteetista varataan, ohjataan varausprosessia rajoittamalla akun jännitettä. Näin vältetään ns. kaasuuntumista. Kaasuuntumisella tarkoitetaan jännitteestä riippuvaa sivureaktiota, jossa vesi hajoaa vety- ja happikaasuksi. Tämä aiheuttaa ei-toivottuja seurauksia kuten akun lämpenemistä ja kuivumista, koska elektrolyytissä oleva vesi vähenee muuttuessaan kaasuksi. Huoneenlämpötilassa oleva 12 V akku alkaa kaasuuntua noin 14,4 V:ssa.

Virta, jonka purkautunut akku voi ottaa vastaan siten ettei kaasuuntumisjännitettä saavuteta, on suhteellisen korkea, mutta se vähenee jatkuvasti varauksen edetessä. Nyrkkisääntönä voi sanoa, että akkua voi vahingoittamatta varata yhtä monella A:lla kuin
montako Ah:ta puuttuu akun täysvarauksesta. Jos esimerkiksi 50 Ah:n akku on purkautunut, se voidaan varata 50 A:lla. Tämän periaatteen mukaan varaus pitäisi suorittaa jatkuvalla jännitteellä koko varausjakson ajan, ja tämä on nopein mahdollinen varaustapa. Se ei kuitenkaan käytännössä sovellu kuluttajakäyttöön, koska se vaatisi varaajien mitoittamista suurille virroille ja tekisi niistä sekä suurikokoisia että kalliita.

Sen sijaan varaajat rakennetaan tavallisesti niin, että ne antavat mahdollisimman suuren virran 4 ja 15 A:n välillä ja soveltuvat varaajiksi normaalikokoisille autonakuille.
Ensimmäisessä varausvaiheessa varaajan annetaan toimia maksimivirralla kunnes jännite saavuttaa kaasuuntumisjännitteen tason.
Tämän ensimmäisen varausvaiheen aikana varataan suurin osa purkautuneesta kapasiteetista. Jos esimerkiksi varaaja antaa 7 A, on 70 Ah akun varaustila nyrkkisäännön mukaan yli 90-prosenttinen, kun kaasuuntumisjännitetaso saavutetaan.

Toisessa varausvaiheessa lukitaan jännite kaasuuntumisjännitetasolle ja annetaan virran laskea. Tässä yhteydessä on ongelmana, että kaasuuntumisjännite on vahvasti riippuvainen lämpötilasta ja vaihtelee noin 0,3 V joka kymmenettä astetta kohden. Huoneenlämpötilassa oleville akuille – kuten edellä on mainittu – on kynnysjännite 12 V akulle noin 14,4 V, ja lämpötilariippuvuuden perusteella sen taso vaihtelee 13,8 V:n (50 °C:ssa) ja 15,0 V:n (0 °C:ssa) välillä.

Jotta akun varaaminen onnistui hyvin, on tärkeää päästä mahdollisimman lähelle kaasuuntumisjännitetasoa. Siksi on ensiarvoisen tärkeää, että varaajassa on kompensointi eri lämpötiloille, niin että se valitsee varattaessa oikean jännitteen. Muuten lopputuloksena on, että lämmin akku tulee yliladatuksi liian korkean varausjännitteen vuoksi ja kylmä akku jää alivaratuksi liian matalan latausjännitteen vuoksi.

Erona ensimmäiseen varausvaiheeseen on se, että ei ole mitään luonnollista annettua kriteeriä sille, milloin toinen vaihe voitaisiin katsoa päättyneeksi, vaan tämä voi perustua erilaisiin parametreihin – esimerkiksi varausvirta on laskenut tiettyyn arvoon, toisen vaiheen varaus on jatkunut tietyn ajan tai jokin näiden yhdistelmä. Voidaan kuitenkin sanoa, että normaalisti ajatuksena on toisen vaiheen jatkuminen kunnes koko akun kapasiteetti on täyteen varattu.

Kolmannessa varausvaiheessa varmistetaan tietyn ylivarauksen avulla (muutama prosentti lisäkapasiteettia) tasausvaraus kennojen välillä niin, että akku tulee kokonaisuudessaan täyteen varatuksi.
Ylivaraus pyrkii toisaalta palauttamaan aktiiviseksi aineeksi lyijysulfaatin jäänteet, joita muodostuu levyille purkautumisen yhteydessä, ja toisaalta purkamaan osituksen, joka syntyy varauksen aikana vapaana virtaavassa elektrolyytissä.

Ositus tarkoittaa, että elektrolyytin densiteetti, tiheys, on suurempi kennojen pohjalla kuin ylöspäin tultaessa. Ilmiö perustuu siihen, että varauksen aikana muodostuvan rikkihapon tiheys on suuri, ja se vajoaa alaspäin elektrolyytissä. Tämä tila pitää purkaa, koska muussa tapauksessa se johtaa akun pysyviin vaurioihin ns. sulfatoitumisen vuoksi. Sulfatoituminen on akun levyissä tapahtuva kemiallinen toisiintumisprosessi, jota ei sen kehityttyä enää voi korjata.

Venttiiliohjatuissa akuissa (AGM/GEL) elektrolyytti (happo) on sidottu joko geelinä tai lasikuitumattoihin, joita käytetään erottimina, ja siksi näissä akuissa ei juurikaan tapahdu mainitsemisen arvoista ositusta.

Tämä tarkoittaa, että ns. vapaasti hengittäviä (vakio-) akkuja ja venttiiliohjattuja akkuja (AGM/GEL) pitää varata eri lailla kolmannen vaiheen aikana. Vapaasti hengittävissä akuissa jännitettä on nostettava ja sillä tavalla saatava käyntiin kaasunmuodostus, joka sekoittaa elektrolyytin. Toisin sanoen jännitettä on nostettava kaasuuntumisrajan yli lukitsemalla virta tiettyyn arvoon ja antamalla jännitteen nousta. Tämä johtaa toivottuun kaasuuntumiseen, joka aiheuttaa sekoittumisefektin niin, että varauksen aikana muodostuva happo sekoittuu elektrolyyttiin.

Venttiiliohjatuissa akuissa on sitä vastoin tärkeää pääasiassa välttää kaasuuntumista – osittain siksi ettei sitä tarvita, koska ei ole mitään juoksevaa nestettä joka sekoittuisi, ja osittain siksi, että se lisää kuivumisriskiä, koska elektrolyytin määrä on näissä akuissa pienempi kuin vapaasti venttiiliohjatuissa eikä niitä voi täyttää uudelleen vedellä.

Siksi venttiiliohjatuttujen akkujen varaaminen toteutetaan kolmannessa vaiheessa menetelmällä, jossa jännitteen annetaan pysyä kaasuuntumisjännitteessä tai hieman sen alapuolella ja virta saa jatkaa vähenemistä, mikä on hellävarainen tapa tuottaa täysvaraukseen tarvittava ylivaraus.

Edellä sanotun ydinasia on, että eri akkuteknologiat on varattava kulloinkin kyseessä olevan teknologian käyrien mukaisesti, muuten akku voi tulla väärin varatuksi joko ali- tai ylivarauksen vuoksi.

Tätä varausmenetelmää kutsutaan IUI-varaukseksi, koska kolme vaihetta suoritetaan vakiovirralla (I) ensimmäisessä vaiheessa, vakiojännitteellä (U) toisessa vaiheessa ja lopuksi taas vakiovirralla (I).
Varauskäyrän lisäjakaminen ja hienosäätö voi vaatia useamman vaiheen ohjelmointia, mutta silloin nämä vaiheet ovat yllä kuvatun varauskulun variantteja.

Turvallinen varaaminen

Turvallisuussyistä varaajassa on oltava diagnostiikkaohjelmisto, joka tunnistaa vioittuneet akut.
Vioittunut akku toimii eri tavalla kuin kunnossa oleva, mikä pahimmassa tapauksessa saattaa aiheuttaa turvallisuusriskejä. Oletetaan, että ensimmäisen vaiheen varauksen keskeytyskriteeri määritetään vain kaasuuntumisjännitteen saavuttamisella. Jos akun yhdessä kennossa on voimakas oikosulku, kaasuuntumisjännitettä ei voida saavuttaa. Jos mitään muita kriteerejä ei ole sisällytetty, käy niin että viisi kennoa saavuttaa jännitetilan, jossa muodostuu voimakkaasti kaasua, samalla kun oikosulussa oleva kenno jää alhaiseen jännitteeseen. Koska kunnossa olevien kennojen jännite tulee ylittämään kaasuuntumisjännitteen, syntyy näissä voimakas kaasunmuodostus samalla kun lämpötila nousee ja akku kuivuu. Tämä voi johtaa turvallisuusriskeihin. Siksi on välttämätöntä täydentää puhtaasti akkulähtöisiä kriteerejä muilla rajoituksilla, jotka varmistavat että myös epänormaaleja tilanteita voidaan hallita. Yllä olevassa esimerkissä vältetään ongelma esimerkiksi siten, että rajoitetaan varausaikaa ennen kaasuuntumisjännitteen saavuttamista.

Optimaalisen ja turvallisen varauksen suorittamista varten pitää varaajassa olla seuraavat toiminnot:

* Lämpötilakompensointi
* Eri akkuteknologioille sovelletut varauskäyrät
* Erikokoisille akuille sovitetut varausprosessit
* Sisäänrakennetut turvallisuustoiminnot
* Keskeytyskriteerit, jotka muodostuvat virranvoimakkuuksien ja ajan yhdistelmästä

Akkuvarausta kuvailtaessa pitää myös mainita varausmuoto, jonka tarkoituksena on säilyttää varastoitavat tai lepotilassa olevat akut täysin varattuina.

Tällaista varausta on tapana kutsua ylläpitovaraukseksi. Siinä pidetään 12 V akussa yllä 13,7 V jännitettä hyvin pienellä varausvirralla ja kompensoidaan näin itsepurkaus, jota akussa aina tapahtuu.

Itsepurkaus on uudenaikaisissa akuissa hyvin pientä, mutta ajan kuluessa levossa olevan akun varausstatus laskee. Tämä on kompensoitava joko jaksottaisilla varauksilla tai jatkuvalla ylläpitovarauksella.

Akun huolto

Aluksi painotettiin akun oikean huoltamisen merkitystä, ja akun varaamisen lisäksi onkin olennaisen tärkeää noudattaa alla olevaa huolto-ohjetta, jos haluaa hyödyntää akkua mahdollisimman tehokkaasti:

Älä koskaan syväpura akkuja. Toistuvat syväpurkaukset lyhentävät tuntuvasti akkujen ikää.

Akkuasennukset on mitoitettava niin, että purkaussyvyys on max. noin 50 prosenttia.

Älä altista akkuja äärimmäisille lämpötiloille.

Varastossa akkujen pitää olla viileässä ja kuivassa, koska itsepurkaus on pienempää viileässä.

Akut on aina säilytettävä täysin varattuina. Akut, jotka eivät ole täysin varattuja, voivat sulfatoitua ja menettää kapasiteettia.

Pitkään käyttämättä oleva akku pitää irrottaa sähköjärjestelmästä, jotteivat pienet virtaa kuluttavat lähteet (kytketyt kellot, hälyttimet jne) tyhjennä akkua.

Jos jännite laskee säilytyksen aikana alle 12,4 V, akku on varattava.

Mittaamalla akun lepojännitteen saa tiedon varaustilanteesta: (Huom. Lepojännite mitataan kuormittamattomasta akusta, ja se voi erityisesti venttiiliohjatuissa akuissa olla heti varauksen jälkeen huomattavasti korkeampi kuin alla olevassa kohdassa täysin varattu akku.)

* Täysin varattu akku n. 12,7 V
* Puoliksi varattu akku n. 12.2 V
* Tyhjä akku n. 11,7 V

Muista, että tyhjä akku voi jäätyä ja rikkoutua normaaleissa talvilämpötiloissa.

Avattavissa akuissa pitää tarkistaa happotaso ja lisätä akkuvettä tarvittaessa.

Pidä navat ja kaapelikengät vapaina epäpuhtauksista ja oksideista, jotka voivat aiheuttaa jännitehäviöitä ja heikentää akun toimintaa.

Pidä akut puhtaina ja kuivina, koska kosteus ja lika voivat aiheuttaa akun purkautumisen pintavuotona.

(Huom! Tämän artikkelin uudelleen toimittaminen tai muuttaminen on hyväksytettävä kirjoittajalla ennen julkaisua.)